莫海元，申龍涉，王 雷，姚 堯，高艷波，曹先慧，李征帛，劉 杰

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

空氣鉆井環(huán)空氣固兩相流動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬

莫海元，申龍涉，王 雷，姚 堯，高艷波，曹先慧，李征帛，劉 杰

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

基于FLUENT軟件中Euler模型，采用有限容積法建立了空氣鉆井環(huán)空氣固兩相流三維計(jì)算模型，分析了壓力分布規(guī)律、流體分布規(guī)律、濃度分布規(guī)律。研究表明，從井底到井口壓力逐漸降低；速度在鉆鋌內(nèi)逐漸增大，在交界面處迅速降低，而后在鉆桿內(nèi)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，巖屑速度在整體環(huán)空內(nèi)逐漸降低；在交界面處形成漩渦，對(duì)巖屑進(jìn)行了不同程度的清洗；同時(shí)空氣濃度達(dá)到最大值、巖屑濃度為最小值；隨著入口空氣的逐漸增加，空氣速度、巖屑速度變化率逐漸增大，而交界面處高空氣濃度、低巖屑濃度區(qū)域逐漸增大，能較大程度的清洗巖屑。

空氣鉆井；氣固兩相流；流動(dòng)規(guī)律；數(shù)值模擬

氣體鉆井作為欠平衡鉆井技術(shù)的一個(gè)重要分支，與傳統(tǒng)的液體鉆井技術(shù)相比具有顯著的特點(diǎn)。氣體鉆井是采用空氣、天然氣、廢氣等非凝析氣體作為循環(huán)介質(zhì)攜帶巖屑的鉆井技術(shù)，由于沒有液體參與，能夠有效的避免鉆井過程中液體和固體顆粒對(duì)儲(chǔ)層的傷害，因此氣體鉆井 越來越引起人們的關(guān)注[1]。對(duì)于空氣鉆井技術(shù)，國內(nèi)外公司、學(xué)者進(jìn)行了不同程度的應(yīng)用研究。1950年初，美國ELPaso天然氣公司首次將氣體應(yīng)用在鉆探油氣井[2]，此后該技術(shù)廣泛地應(yīng)用在各地油氣井的開發(fā)與鉆探上。近年來我國長慶油田、大慶油田徐深21井、普光氣田、白淺111井等均應(yīng)用空氣鉆井技術(shù)，取得了較好的效果[3-6]。然而僅有部分學(xué)者對(duì)于氣體鉆井技術(shù)進(jìn)行了研究[7]，但仍不成熟：氣體鉆井理論模型與實(shí)際相差較大，對(duì)最小氣體量等參數(shù)的分析有待于加強(qiáng)，因此氣體鉆井技術(shù)仍需進(jìn)一步的研究，尤其是環(huán)空氣固兩相流場(chǎng)分布的控制需進(jìn)行深入研究[8]?；诖?，本文基于FLUENT軟件中Euler模型，采用有限容積法建立了空氣鉆井環(huán)空氣固兩相流三維計(jì)算模型，總結(jié)流場(chǎng)的分布規(guī)律、各組分濃度分布規(guī)律、壓力分布規(guī)律，以期為實(shí)際生產(chǎn)、設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 問題描述

參考川渝地區(qū)空氣鉆井技術(shù)的實(shí)際參數(shù)，環(huán)空井段為垂直井段，井眼直徑314 mm，鉆鋌直徑228.4 mm，鉆鋌長度10 m，鉆桿直徑127 mm，鉆桿長度10 m，套管與鉆桿的絕對(duì)粗糙度為0.04678mm，巖屑密度2 600 kg/m3，比熱為1 100 J/(kg K)。氣固兩相混合物從底部入口進(jìn)入，空氣流速為25 m/s，巖屑速度為15 m/s，巖屑濃度為0.02，顆粒直徑為1 mm。采用三維穩(wěn)態(tài)氣固兩相流動(dòng)模型，模型基本假設(shè)如下：

（1）環(huán)空流體僅考慮巖屑和空氣；

（2）取井斜角為0°；

（3）忽略環(huán)空中溫度變化影響；

（4）模擬計(jì)算中考慮重力的影響；

（5）忽略流動(dòng)過程中化學(xué)反應(yīng)的影響。

簡化后三維模型如下，模擬區(qū)域采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在保持巖屑15 m/s情況下，分別對(duì)空氣流速20, 25, 30 m/s情況下氣固兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬。

圖1 物理模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Physical model and grids partition

1.2 方程建立

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

能量方程

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

本文保持巖屑速度15 m/s不變，分別對(duì)空氣入口速度20, 25, 30 m/s進(jìn)行了數(shù)值分析，以期總結(jié)出壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)的分布規(guī)律。

2.1 不同空氣速度下模擬結(jié)果分析

2.1.1 壓力分布

如圖2所示，3種不同速度下，環(huán)空壓力從底部到井口總體上逐漸降低。其中鉆鋌與鉆桿交接處，壓力迅速升高。這是因?yàn)榄h(huán)空截面突然增大，導(dǎo)致速度減小，從而使壓力損失減少，近而導(dǎo)致鉆桿段環(huán)空壓力迅速降低。其中在鉆鋌與管壁幾何尺寸未發(fā)生變化使得環(huán)空段壓力變化較均勻。隨著入口速度的增大，其壓力變化也逐漸增大。

圖2 壓力分布Fig.2 Pressure distribution

2.1.2 速度分布

圖3 空氣速度分布Fig.3 Air-velocity distribution

圖4 巖屑速度分布Fig.4 Rock waste-velocity distribution

圖3為空氣速度分布圖，在不考慮溫度變化情況下，在鉆鋌內(nèi)，空氣流速均逐漸增加，而到鉆鋌與鉆桿交界處，速度急劇下降，而后在鉆桿內(nèi)又逐漸增加，達(dá)到一個(gè)新的峰值。這是由于沿程壓力的損耗，使得環(huán)空壓力逐漸減小，流速逐漸升高，因此在鉆鋌內(nèi)出現(xiàn)流速逐漸增大的現(xiàn)象；而在交接處由于面積突然增大，導(dǎo)致流速急劇降低，達(dá)到了空氣流速的最低點(diǎn)；而在鉆桿內(nèi)亦出現(xiàn)沿程壓力損耗，導(dǎo)致速度逐漸升高，達(dá)到了峰值。圖4為固相流速分布，由于受重力的影響使得沿程速度逐漸降低。綜合以上：隨著空氣速度的增大，鉆鋌內(nèi)速度梯度也逐漸增大，在交界面處速度變化梯度也較大；巖屑速度隨著空氣速度的增大其下降速率逐漸減小。

2.1.3 濃度分布

圖5、圖6分別為空氣和巖屑的濃度分布，氣體在環(huán)空內(nèi)壁分布小于環(huán)空中心；巖屑在鉆桿環(huán)空帶內(nèi)巖屑濃度大于鉆鋌環(huán)空帶。這是由于在鉆桿內(nèi)巖屑速度逐漸減小使得濃度逐漸增大。在截面變化出濃度變價(jià)較大。隨著入口空氣速度的增大，交接處的空氣濃度、巖屑濃度變化梯度較大。

圖5 空氣濃度分布Fig.5 Air-concentration distribution

圖6 空氣濃度分布Fig.6 Rock waste-concentration distribution

2.2 相同空氣速度下模擬結(jié)果分析

由于壓力分布規(guī)律相同，這里不在闡述。重點(diǎn)闡述速度分布和濃度分布規(guī)律。僅取一半進(jìn)行研究。

2.2.1 速度分布

如圖7所示，受管道內(nèi)壁粗糙度影響，加之巖屑影響，使得空氣、巖屑速度分布呈中心大，靠近管壁處小的趨勢(shì)。而在交界面處空氣速度突然減小，靠近內(nèi)壁管道處速度梯度較大，呈減小趨勢(shì)，并在此形成較小漩渦，使得巖屑梯度變化較大，可以達(dá)到一個(gè)清洗巖屑的目的。此外由于漩渦的形成，使得氣流對(duì)小巖屑達(dá)到了較好的清洗目的，而對(duì)較大巖屑清洗較難。隨著入口空氣速度的逐漸增大（如圖8-圖9），在鉆鋌底部也出現(xiàn)漩渦，對(duì)巖屑的清洗程度逐漸加大，提高了攜帶效率。

圖7 空氣速度20 m/sFig.7 20 m/s air speed

圖8 空氣速度25 m/sFig.8 25 m/s air speed

圖9 空氣速度30 m/sFig.9 30 m/s air speed

2.2.2 濃度分布

如圖10-圖12所示，在交界面處均呈現(xiàn)空氣濃度最大、巖屑濃度最小的現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诖颂幮纬闪溯^小的漩渦，空氣對(duì)巖屑進(jìn)行了清洗。隨著入口空氣速度的增大，高濃度空氣區(qū)域逐漸增大，低巖屑濃度區(qū)域逐漸減小，最大限度的對(duì)巖屑進(jìn)行了清洗，達(dá)到了較好的攜帶效果，提高了效率。

圖10 空氣速度20 m/sFig.10 20 m/s air speed

圖10 空氣速度25 m/sFig.10 25 m/s air speed

圖12 空氣速度30 m/sFig.12 30 m/s air speed

3 結(jié) 論

（1）從井底到井口，壓力逐漸降低，隨著入口空氣速度的逐漸增大，沿程壓降變化也逐漸增大；

（2）空氣速度在鉆鋌內(nèi)逐漸增大至峰值，在交界面處突然降低，而后在鉆桿內(nèi)空氣速度又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)達(dá)到新的峰值；巖屑速度在整體環(huán)空內(nèi)逐漸減小；

（3）在交界面處，空氣形成一個(gè)較小的漩渦，對(duì)巖屑進(jìn)行了不同程度的清洗；隨著入口空氣速度的逐漸增加，空氣影響也增大，對(duì)較大巖屑亦進(jìn)行了清洗，進(jìn)而提高了效率；

（4）在交界面處，空氣濃度達(dá)到最大值，巖屑濃度達(dá)到最小值，并隨著入口空氣速度的增大，峰值濃度范圍也在增大。

［1］王存新,孟英峰,等.氣體鉆井注氣量計(jì)算方法研究[J].天然氣工業(yè),2006,26(12):97-99.

［2］L.Shale. Development of Air Drilling Motor Holds Promise for Specialized Directional Drilling Application[C].SPE22564,1991.

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［4］羅昭素，郭永恒，郎應(yīng)虎,等.空氣欠平衡鉆井技術(shù)在徐深21的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2006, 28(5):16-18.

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Numerical Simulation of Gas-Solid Two-phase Flow Law in Air Drilling

MO Hai-yuan，SHEN Long-she，WANG Lei，YAO Yao，GAO Yan-bo，CAO Xian-hui，LI Zheng-bo，LIU Jie
（College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun, 113001, China）

Based on the Euler model in FLUENT software, three-dimensional numerical model of gas-solid two-phase flow in air drilling was established by finite volume method. The pressure distribution law, the fluid distribution law and the concentration distribution rule were analyzed. The results show that the pressure reduces gradually from the bottom hole to the wellhead; the velocity gradually increases in the drill collar and quickly decreases at the interface, and then shows a increase trend in the drill pipe, and the cuttings speed gradually reduces in the overall annulus; the cuttings are cleaned at different degrees by the vortexes formed at the interface; the air concentration reaches the maximum and cuttings concentration reaches minimum at the same time; With the gradual increase of the inlet air, the change rates of air velocity and cuttings speed gradually increase, and the regions of high air concentration and low cuttings concentration gradually expand, which can lead to a greater-degree cleaning of the cuttings.

Air drilling; Gas-solid two-phase flow; Flowing law; Numerical simulation

TE 242

A

1671-0460（2012）11-1263-04

2012-07-02

莫海元（1985-），男，青海門源人，在讀碩士，研究方向：鉆井工藝及多相流研究。E-mail：mohy0413@163.com。